Çelik çerçeve taşıyıcı sistemli mevcut bir binanın güncellenen yönetmelikler altında zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yöntemi ile değerlendirilmesi

Abstract

Geçmişten bugüne Türkiye sınırları içinde ve çevresinde ağır can ve mal kayıpları doğurmuş çok sayıda deprem meydana gelmiştir. AFAD'ın güncel raporuna göre Türkiye, 1900'den bu yana kaydedilen büyük depremler göz önüne alındığında, 77 adet deprem ile dünya sıralamasında dördüncüdür. Bu veriler ışığında, depremlerin Türkiye için çok önemli bir tehdit olduğu ve şehirleşmenin bu tehlike göz önüne alınarak yapılması gerektiği söylenebilir. Bu sebeple yapı inşası sırasında uygulanması gereken kurallar bütünü olarak, deprem yönetmelikleri geliştirilmiştir. Gelişen teknoloji ve bilimsel araştırmalarla birlikte yürürlükte olan yönetmeliklerdeki uygulama zorluklarının, problemlerin ve eksiklerin giderilmesi, yapısal analizlerin kapsamının ve detaylarının genişletilmesi, yapılan binaların depreme dayanıklılığı açısından bir ihtiyaçtır. Ülkemizde bu ihtiyaçlara cevap vermek adına, belirli aralıklarla yeni yönetmelikler çıkartılmış ve yapıların tasarım ve değerlendirme kurallarında geliştirmeler yapılmıştır. Yakın dönemde yapılan değişikliklerden ilki deprem yönetmeliğinin güncellenmesidir. Yılbaşından itibaren geçerli olan Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, kısaca TBDY'dir. Bir diğer değişiklik ise çelik yapıların hesap yöntemlerine dair esasların yenilenmesidir. Ayrıca deprem bölgeleri haritası da baştan aşağıya değiştirilerek Türkiye Deprem Tehlike Haritaları adında yeni ve interaktif bir yapıya dönüşmüştür. Yapılan yeniliklerle kullanılan tasarım, hesap ve değerlendirme kriterlerinde büyük değişimler olmuştur. Dolaysıyla yönetmelik değişiklikleri olmadan önce inşa edilen binaların geliştirilen yöntemler altında yeniden yapımının irdelenmesi ve mevcut yapıların değerlendirilmesi ihtiyacı doğmuştur. Bu tez çalışmasında, 2012 yılında konut olarak kullanılmak üzere projelendirilen ancak, yapı ruhsatı alındıktan sonra uygulamasından vazgeçilen taşıyıcı sistemi moment aktaran çelik çerçevelerden oluşan 5 katlı bir bina, TBDY ile mevcut yapı sistemlerinin değerlendirilmesi başlığı altında incelenecektir. TBDY ile birlikte artık eski yönetmeliklerde bulunmayan çelik bina sistemleri için performans koşulları tanımlanmıştır. Bu değişiklikten önce mevcut çelik yapılar tasarım aşamasındaki kurallara göre değerlendirilmekteydi. Bu çalışma ile konut olarak kullanılmak üzere projelendirilmiş bir binanın performansı belirlenmiştir.Buna ek olarak, deprem yönetmeliğinde meydana gelen temel değişikliklerin göz önüne alınarak irdelenmesi amaçlanmıştır. Kapsamı eskisine göre büyük oranda arttırılan yeni yönetmeliğin irdelenmesi başlı başına bir konu olduğundan, yapılan karşılaştırma aşamalarında değerlendirmesi yapılacak olan bina için geçerli olan yaklaşıma odaklanılmıştır. Analiz kapsamında zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi kullanılarak mevcut binanın performans değerlendirmesi yapılmıştır. Ayrıca analiz aşamalarında güncel yabancı yönetmeliklerden de yararlanılmıştır. Deprem kayıtları uluslararası bir veri tabanından temin edilmiş ve TBDY'de tanımlanan yöntemler ışığında akademik lisansa sahip ticari bir program kullanılarak işlenmiştir. Çözümlemeler de benzer şekilde akademik lisansa sahip ticari bir sonlu elemanlar programı kullanılarak, binanın projelerine uygun matematik modeli oluşturularak yapılmıştır. Binanın yatay deprem yükü taşıyıcı elemanları çubuk sonlu elemanlar kullanılarak modellenmiştir. Bu sebeple doğrusal olmayan yöntemde plastik mafsal teorisi olarak da bilinen yığılı plastik davranış modeli tercih edilmiştir. Malzemenin doğrusal olmayışı başlığı altında güncel yönetmelik ve uluslararası yönetmelikler ışığında pekleşen ideal elasto-plastik malzeme davranışı seçilmiştir. Sonuç bölümünde binaya gelen deprem kuvvetleri, binanın yerdeğiştirme ve şekildeğiştirmeleri irdelenmiştir. Deprem kuvvetleri açısından yeni ve yürürlükten kaldırılan yönetmeliğe göre hesaplanan değerler karşılaştırılmıştır. Analiz yönteminde doğrudan hesaba katılan ikinci mertebe etkileri ve binanın davranışı için fikir vermesi açısından göreli kat ötelenmeleri de incelenmiştir. Eleman bazında oluşan hasarlar tek tek değerlendirilerek binanın deprem performansı belirlenmiştir.

From past to present, there has been many earthquakes which caused heavy damage and losses occurred within the borders of Turkey and surrounding. According to the current report of AFAD, Turkey is the fourth in the world rankings with 77 big earthquakes since 1900. In this context, it is very important that earthquakes pose a threat to Turkey and it can be said that urbanization should be made taking into account the danger. Therefore, earthquake regulations have been developed as a set of rules that should be applied during construction. With the help of developing technology and scientific research, it is a necessity to eliminate the difficulties, deficiencies and problems in the regulations in force, to extend the scope and details of the structural analysis, in terms of earthquake resistance of the buildings. In order to meet these needs in our country, new regulations have been issued periodically and improvements have been made in the design and evaluation rules of the buildings. The first of these changes is the revision of the earthquake regulations. Another change is the revision of the principles regarding the calculation methods of steel structures. In addition to the earthquake zone maps it has also been turned into a new and interactive structure called the Turkey Earthquake Hazard Map of changing from top to bottom. There have been major changes in the design, calculation and evaluation criteria used with the innovations. Therefore, before the regulation changes, there was a need to examine the reconstruction of the buildings constructed under new methods and to evaluate the existing buildings. Since the steel structures' performance criteria are added to the evaluation of existing structures with the new regulation, applications and regulations can be further improved by increasing the evaluation studies. Problems that may arise in the application can be quickly resolved.In DBYBHY (old seismic code), the rules for determining the earthquake performance were valid only for reinforced concrete and prefabricated reinforced concrete buildings. With the new regulation, steel structures were added to earthquake performance criteria.The examination of the new Turkish Building Seismic Code 2018 (TBDY), which has been greatly increased compared to the old one, is an issue in itself. In the comparison stages, the approach which is valid for the building to be evaluated is focused. Within the scope of the analysis, the performance assessment of the existing building according to the new regulation was performed by using nonlinear time history analysis method that can be applied in all structures without any conditions. The results of these analyzes are known in the literature as the most reliable method of analysis. In addition, current foreign regulations were utilized during the analysis.In this thesis, a 5-storey building consisting of steel moment-resisting frames with structural system, which was designed to be used as a residence in 2012 but was abandoned after the building license was obtained, will be examined under the title of evaluation of existing building systems with new seismic code. In addition, it is aimed to examine the fundamental changes in earthquake regulations. Evaluation of existing structures begins with the step of gathering information from buildings. The information to be obtained in the new regulation is divided into two categories as limited and comprehensive. In the evaluation made within the scope of this study, the building was analyzed in accordance with the comprehensive knowledge level and projects.Since there were no recorded earthquakes in the area where the building is located, the local ground conditions of the structure were taken into consideration as the starting point for the selection of earthquake records. Since the shear wave velocity is 174 m/s, twenty-four earthquake recordings with values close to this value were found. Afterwards, non-convergent and inefficient records were eliminated and eleven earthquake records were selected. Since the earthquake regulation requires harmonization with the earthquakes in the region in order to use simulated records, simulated earthquake records were not used in this study. All recordings were obtained from PEER (Pacific Earthquake Engineering Research Center) Berkeley, ngawest2 database. When selecting the records from PEER, the design spectrum of the building can be defined interactively to the site before the search step and a search can be made to converge to the design spectrum. Earthquake records were taken from the database and it is processed using a commercial program with an academic license in the light of the methods described at TBDY. Two horizontal components of each record will be used in nonlinear time history calculations and a second calculation will be made for the same earthquake by changing the direction of the components and a total of twenty-two analyzes will be performed. Since two components are used together in this method, earthquake forces in two directions are already combined. As a result, the greatest absolute arithmetic means of the twenty-two analyzes will be obtained. The analyzes were made by using a commercial finite element program and a mathematical model suitable for the building projects. Since the horizontal earthquake load bearing elements were modeled using only frame elements, the plastic hinge theory was preferred as the nonlinear method. The slabs were modeled with shell finite elements and the largest 50 cm square finite element meshes were automatically arranged in the analyzes. Since the slabs are included in the model, no additional diaphragm definition is made. Geometric nonlinearity, also known as P-Delta effect, calculations will be automatically considered thanks to the feature of the program. Under the heading of material nonlinearity, the hardening ideal elasto-plastic material model has been selected which in accordance with the new regulations and international standards.According to TBDY, the building should not have any element passing to the forward damage zone in order to have a controlled damage level. For concrete buildings, a certain percentage of beams and some vertical bearing elements may pass to the upper region according to the shear force ratio on the floor. However, exceptional cases in reinforced concrete in steel structures do not apply. In steel structures, the ductility level on the basis of elements is determined under the limit values given according to the cross-sectional conditions. The performance of the structural system elements is determined in the light of the changing limits defined according to the ductility level of the elements. There are limit values for each element depending on the type of structural system. The rotation of columns, beams and the joining regions of these elements should be evaluated for the moment resisting steel frame systems.There are three performance limits in the literature for structural systems and the corresponding limits in the new regulation are as follows; immediate occupancy (SH), life safety (KH), collapse prevention (GÖ). According to TBDY, this building must meet the conditions of life safety.As a result of the investigations; Although the lowest strength structural steel given in the standards is used and the ductility level of the system is limited, the building-controlled damage provides earthquake performance since there are no elements passing to the life safety performance level. In addition, at the end of this study, when the ductility level of some elements is limited and some of is high, there is a lack of explanation as to whether the elements will be evaluated separately or if they will be limited according to the unfavorable state of the system.Steel structure systems have the advantages of being easily strengthened, dismantled and reusable and highly recyclable. However, it is a known fact that steel buildings are much less preferred in our country compared to reinforced concrete buildings. In the light of these features compared to other building systems; this work has emerged with the desire of strengthening rather than demolish-rebuilding, thus increasing the useful life of buildings and reducing waste and making more environmentally friendly buildings.